鍋爐制造火焰矯正工藝探討

李壯壯

山東中杰特種裝備股份有限公司 山東菏澤 274000

1 序言

熱矯正裝置簡單、操作靈活，是焊后矯形常用的方法之一。其原理是利用火焰加熱時產生的局部壓縮塑性變形，使伸長的部位冷卻后局部縮短，利用收縮的變形抵消焊接引起的變形。熱矯正有著與焊接相似的熱循環，加熱溫度和冷卻方式的不同會對材料的性能造成不利影響。另外，由于熱矯正引起的殘余應力和外來載荷所產生的拉應力疊加，當疊加載荷達到鋼材的屈服極限時，會導致結構發生塑性變形，甚至斷裂，因此應嚴格控制熱矯正工藝。熱矯正一般適用于塑性較好的材料。

我公司承建的型號為SHL50-1.25-SCⅢ生物質鍋爐在現場組焊后集箱發生變形，直線度超出標準要求，需采用局部火焰加熱對其進行矯形后達到技術要求。

2 結構設計

集箱與膜式壁管及下降管的連接形式如圖1所示，集箱展開圖如圖2所示。集箱材質為20鋼，化學成分見表1，該材料塑韌性較好。焊縫較多且布置在集箱中性軸一側，集箱局部受熱，如果將焊縫連起來看成一條直線，則由縱向收縮導致撓曲變形，再加上集箱長度較長，在自身重力的影響下對組焊造成困難，反變形操作困難，焊后集箱彎曲變形較大。產品建造按GB/T 16507.5—2022《水管鍋爐 第5部分：制造》規定，當兩端封閉集箱總長＜20m時，直線度偏差應≤2.5mm/m，且最大為16mm/m。

表1 20鋼化學成分（質量分數）（%）

圖1 集箱管接頭連接形式

3 火焰矯正工藝

為保證矯正的效果，應合理選擇加熱方式、位置和溫度。加熱方式可分為點狀、線狀和面狀加熱，彎曲變形宜采用面狀加熱，即三角形加熱[1]。應用火焰矯形原理，加熱位置應選擇在材料彎曲外側。圖3所示為集箱加熱位置，三角形底邊位于彎曲凸點，寬度在10～30mm，這樣可很好地利用底邊橫向收縮大于頂端橫向收縮的特點來矯正彎曲。矯正前應仔細檢測變形情況，確定加熱位置和加熱點數量，加熱范圍不超過總管120°所對應的圓周上，避開管接頭焊縫及熱影響區，加熱方向從管中心向兩側進行[2]。加熱火焰宜采用較安全的氧、丙烷氣氛，為了避免滲碳和過燒，宜使用中性焰，烤把使用多孔擴散型。20鋼按照GB/T 3087—2022《低中壓鍋爐用無縫鋼管》規定制造，屬于優質碳素鋼，根據以往工藝經驗，在盡量減少對材料性能不利的原則下，規定加熱最高溫度≤650℃（溫度控制在580～620℃），禁止在300～500℃下進行矯正，冷卻方式選擇空冷。火焰加熱時單從金屬顏色判斷溫度是不準確的，因為顏色可能受到不同材質、天氣、個人感覺的影響，而熱矯正過程應嚴格控制加熱溫度，在實際操作過程中，應配備檢驗人員測量溫度，溫度測量可以用紅外線測溫槍、測溫蠟筆及熱電偶（用熱電偶測量有難度）等可行方式。二次矯正時避開原來的加熱位置，不斷觀察矯正效果，防止矯正過度。矯正后對集箱的尺寸和加熱區域的外觀進行檢測，集箱全長度直線度偏差≤5mm，符合標準要求。由于熱循環易產生新的殘余應力，會加大附近焊縫所受應力，因此對焊接接頭的外觀也應進行檢驗，不得有裂紋等缺陷。

圖3 集箱加熱位置示意

4 加熱溫度探討

通過比較國內外鍋爐制造標準對成形溫度的要求，結合以往工藝經驗對熱矯正加熱溫度的選擇給出合理性建議，此外還參考了鋼結構標準的相關規定，見表2、表3。

表2 鍋爐制造標準對比

表3 鋼結構制造標準對比

值得一提的是，鍋爐相關標準并沒有對熱矯正操作有明確規定，根據冷/熱成形在標準中的定義，熱矯正可能也適用。本文將管子冷/熱成形的溫度要求適用于熱矯正，應變量不予考慮。

熱矯正可選擇加熱溫度區間較大，但一般要求不超過其材料相變溫度Ac1。根據相變溫度經驗公式可求得20鋼的Ac1為726℃，但500～650℃矯正溫度已超過低碳鋼再結晶溫度（再結晶溫度是指冷變形金屬開始進行再結晶的最低溫度）[3]，屬于GB/T 16507.5—2022規定的熱成形范疇，需要考慮是否進行恢復材料性能熱處理，而這種情況在EN 12952-5：2021中會產生冷成形和熱成形兩種不同情況，相應的熱處理要求也不同，而在美標中碳素鋼在此溫度成形不需要后續熱處理。不同標準對冷熱成形的制造要求不盡相同，建議矯正溫度應不超過材料相變溫度點，同時應避開藍脆及回火脆性溫度區間，結合產品制造要求考慮進行矯正后熱處理；不銹鋼矯正溫度要避免475℃脆性，工程上直接對不銹鋼火焰加熱一般是不允許的，可采用高頻熱點矯正和其他可行的方法。

5 熱矯正工藝模擬試驗

有不少研究者對熱矯正后的性能做了試驗研究，認為可能會導致金相組織的變化，使力學性能下降[4]。為了給熱矯正工藝提供依據，建議進行熱矯正工藝模擬試驗，其類似焊接工藝試驗，以確定材料經熱矯正后仍然滿足性能要求，以此指導現場生產，熱矯正工藝模擬試驗現在很多工程上都有應用。

為了簡化工藝流程，降低成本，進行了熱矯正工藝模擬試驗，以驗證熱矯正后材料的力學性能，選出合適的矯正溫度。考慮到公司常用材料，根據GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》，選用板厚為20mm的Q345R鋼作為試驗材料，對其40mm寬范圍內進行火焰加熱，如圖4所示，矯正前在其加熱背面堆焊，使試板產生一定變形。加熱過程中使用紅外線測溫儀檢測溫度，當加熱部位稍變暗紅色時，緩慢勻速向前移動烤槍，屆時讀取加熱紅色部位溫度數值，調整烤槍移動速度，測溫點隨著烤槍等速向前移動，使溫度控制在600℃左右，實測最高溫度640℃，冷卻方式選擇空冷。矯正完成經外觀檢查合格后在加熱部位截取試樣，沖擊試樣取自距母材受熱表面0.5～2mm，試驗結果見表4。試驗結果表明，在該溫度矯正后的母材性能依然符合標準要求。

表4 熱矯正后力學試驗結果

圖4 熱矯正示意

6 結束語

本文對集箱變形熱矯正的工藝方法做了基本探討，尤其是矯正溫度要考慮材料脆性溫度及產品制造標準的要求，做出合理的選擇。熱矯正方法可選擇的變數太多，建議鍋爐行業對其性能和工藝規范進行標準化，同時企業應制定內控技術標準，確保熱矯正過程可控，矯正后材料的性能達到使用要求。